JP6111329B2 - 回転電機のステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のステータに関する。

回転電機は、ロータとステータとを備えており、ステータにはステータコイルが巻き回されている。回転電機をモータとして動作させて機械的動力を得る場合は、ステータコイルに電流を流してロータに回転力を付与する。回転電機により発電して電力を得る場合には、ロータを外部からの回転力により回転させ、ステータコイルに発生する電流を取り出す。

回転電機を動作させる際には、ステータコイルに電流を流すことにより生じる銅損や、ステータコアに渦電流が流れることにより生じる鉄損などの損失が生じるため、これらの損失を低減することが重要である。

一般に、鉄損を低減する技術のひとつとして、ステータコアを互いに電気的に絶縁した薄板状の電磁鋼板を積層することがある。この場合、帯状の電磁鋼板をステータコアの形状である円環状に打ち抜き、打ち抜いた円環状の鋼板を複数枚積層することでステータコアを形成するが、ステータコアの形状に打ち抜いたあとの残りの電磁鋼板が無駄になるため、歩留まり性が悪い。

そこで、ステータコア製造の歩留まり性を向上するために、ステータコアを複数の分割コアで形成することが知られている（特許文献１参照）。特許文献１には、材料歩留まり性を向上させるためのＤＣモータ用ステータコアの打ち抜き配置方法が記載されている。このような分割コアを用いた回転電機は材料コストの面で有利であり、広く採用されている。

分割コアで形成されるステータコアは、ハウジングにより固定される。ステータコアとハウジングとを固定する方法のひとつとして、焼き嵌めが広く適用されている。焼き嵌めは、ハウジングをあらかじめ高温に熱し、その熱膨張によりハウジングの内径を拡大した状態でステータコアに嵌め込み、そのまま冷却することで、ステータコアをハウジングにより締め付けて固定する方法である。

常温におけるステータコアの外径寸法とハウジングの内径寸法との差である締め代は、運転時におけるロータのトルクによる反作用によってステータコアがハウジングに対して空転しないように設定されている。

特開２００２−３２０３５１号公報

締め代を大きく設定しておき、ハウジングによる締め付け力を大きくすることで、複数の分割コアから構成されるステータコアを安定して固定することができる。しかし、前述の通り分割コアは薄板状の電磁鋼板を積層することで形成されており、電磁鋼板の一枚の強度は高くない。よって、締め付け力を大きくすると、隣接する分割コア同士が押し合うことで隣接する分割コア同士の接触部が変形し、回転軸方向に突き出てしまうことがあった。

上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、第１のステータコアと第２のステータコアとにより構成されたステータコアを備える回転電機のステータにおいて、前記第１のステータコアは周方向に分割されたコアバックを有し、前記第２のステータコアは周方向に一体に構成されたコアバックを有し、前記第１のステータコアと、前記第２のステータコアとが軸方向に積層されていることを特徴とする。

本発明によれば、焼き嵌めの際、隣接する分割コア同士の接触部における変形を低減する回転電機を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

ハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図。 回転電機を示す一部断面模式図。 回転電機のステータ斜視図。 Ｔ字形コアの形状を示す図。 Ｉ字形コアの形状を示す図。 環状コアバックの形状を示す図。 分割コアの斜視図（実施形態１）。 分割コアにステータコイルを巻きまわした状態の斜視図（実施形態１）。 ステータコアの一部分解斜視図（実施形態１）。 分割コアにステータコイルを巻きまわした状態の斜視図（実施形態２）。 ステータコアの一部分解斜視図（実施形態２）。

本発明による回転電機の実施形態を、図面を用いて説明する。
なお、以下の説明では、回転電機の一例として電気自動車やハイブリッド自動車の走行用の回転電機を用いる。また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）を指す。
〔第１の実施形態〕
図１は、本実施形態に係る回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。

図１に示すように、ハイブリッド自動車（以下、車両）１００には、エンジン１２０と、第１の回転電機２００と、第２の回転電機２０２と、バッテリ１８０とが搭載されている。

バッテリ１８０は、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの二次電池やキャパシタで構成され、２５０ボルトから６００ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。バッテリ１８０は、力行走行時には回転電機２００，２０２に直流電力を供給し、回生走行時には回転電機２００，２０２から直流電力を受ける。バッテリ１８０と回転電機２００，２０２との間の直流電力の授受は、電力変換装置６００を介して行われる。

車両１００には低電圧電力（たとえば、１４ボルト系電力）を供給するバッテリ（図示せず）が搭載されており、以下に説明する制御回路に直流電力を供給する。

エンジン１２０および回転電機２００，２０２による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１６０を介して前輪１１０に伝達される。変速機１３０は変速機制御装置１３４により制御され、エンジン１２０はエンジン制御装置１２４により制御され、バッテリ１８０は、バッテリ制御装置１８４により制御される。

変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、バッテリ制御装置１８４および電力変換装置６００には、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０が接続されている。

統合制御装置１７０は、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、電力変換装置６００およびバッテリ制御装置１８４の状態を表す情報を、通信回線１７４を介してそれらからそれぞれ受け取る。統合制御装置１７０は、取得したそれらの情報に基づき各制御装置の制御指令を演算する。演算された制御指令は通信回線１７４を介してそれぞれの制御装置へ送信される。

バッテリ制御装置１８４は、バッテリ１８０の充放電状況やバッテリ１８０を構成する各単位セル電池の状態を、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０に出力する。

統合制御装置１７０は、バッテリ制御装置１８４からの情報に基づいてバッテリ１８０の充電が必要と判断すると、電力変換装置６００に発電運転の指示を出す。

統合制御装置１７０は、エンジン１２０および回転電機２００，２０２の出力トルクの管理、エンジン１２０の出力トルクと回転電機２００，２０２の出力トルクとの総合トルクやトルク分配比の演算処理を行い、その演算処理結果に基づく制御指令を、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４および電力変換装置６００へ送信する。

電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からのトルク指令に基づき、指令通りのトルク出力あるいは発電電力が発生するように回転電機２００，２０２を制御する。電力変換装置６００にはインバータを構成するパワー半導体素子が設けられている。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からの指令に基づきパワー半導体素子のスイッチング動作を制御する。パワー半導体素子のスイッチング動作により、回転電機２００，２０２は電動機としてあるいは発電機として運転される。

回転電機２００，２０２を電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ１８０からの直流電力が電力変換装置６００のインバータの直流端子に供給される。電力変換装置６００は、パワー半導体素子のスイッチング動作を制御して供給された直流電力を３相交流電力に変換し、回転電機２００，２０２に供給する。

一方、回転電機２００，２０２を発電機として運転する場合には、ロータが外部から加えられる回転トルクで回転駆動され、ステータコイルに３相交流電力が発生する。発生した３相交流電力は電力変換装置６００で直流電力に変換され、その直流電力が高電圧のバッテリ１８０に供給されることにより、バッテリ１８０が充電される。

回転電機２００，２０２の構造について説明する。第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２とはほぼ同様の構造であるため、以下では、第１の回転電機２００の構造を代表例として説明する。なお、以下に示す構造は回転電機２００，２０２の双方に採用されている必要はなく、一方だけに採用されていてもよい。

図２は本実施形態に係る回転電機２００を車両に取り付けた状態を模式的に示す一部断面模式図である。図２に示すように、回転電機２００は、車両側のケース１０の内部に配設されるものであり、ステータ２３０と、ステータ２３０の内周側に隙間をあけて回転可能に配設されたロータ２５０とを備えている。ケース１０は、エンジンのケースや変速機のケースと一体的に設けられている。

ステータ２３０は、円筒状のハウジング（焼き嵌めリング）２１２と、ハウジング２１２内に固定されたステータコア２３２とを有している。ステータ２３０は、ハウジング２１２に設けられたフランジ２１５がボルト１２によりケース１０に締結されることで、ケース１０内に固定されている。

図３は、本実施形態に係る回転電機のステータ２３０を示す斜視図である。なお、図３では、ステータ２３０を固定するためのハウジング２１２は図示していない。

図３に示すように、本実施形態に係る回転電機のステータ２３０のステータコア２３２は、回転軸方向に２つ以上の領域に分かれて構成している。

図４〜図６は、本実施形態に係る回転電機のステータコア２３２の形状を示したものである。ステータコア２３２は、１スロット分のティース部分とコアバック部分が一体となった第１のステータコア２３２Ａ（以下、Ｔ字形コアと記載する）と、１スロット分のティース部分のみからなる第２のステータコア２３２Ｂ（以下、Ｉ字形コアと記載する）と、円周方向に連結したコアバック部分のみからなる第３のステータコア２３２Ｃ（以下、環状コアバックと記載する）とを組み合わせることで構成する。

図４に示すように、Ｔ字形コア２３２Ａは、１スロット分のティース部分とコアバック部分とが一体となった形状である。コアバック部分の周方向分割位置（周方向端部）には周方向凸嵌合部２４１および周方向凹嵌合部２４２が設けられている。これらの嵌合部は隣接するＴ字形コアとの位置決めに用いられる。

図５に示すように、Ｉ字形コア２３２Ｂは、１スロット分のティース２３８から構成されている。Ｉ字形コア２３２Ｂの外周側には径方向凸嵌合部２４３が設けられている。径方向凸嵌合部２４３は図６に示す環状コアバック２３２Ｃとの位置決めに用いられる。

図６に示すように、環状コアバック２３２Ｃは、コアバック部分が円周方向に一体となった形状である。環状コアバック２３２Ｃの内径側には径方向凹嵌合部２４４が設けられている。径方向凹嵌合部２４４はＩ字形コア２３２Ｂの径方向凸嵌合部２４３との嵌合に用いられる。

図７は、Ｔ字形コア２３２ＡとＩ字形コア２３２Ｂとを、両者のティース部が重なるように積層したときの斜視図である。Ｔ字形コア２３２ＡとＩ字形コア２３２Ｂは、いずれも厚さが０．２ｍｍ程度の薄板を積層することで構成される。図７に示すように積層方向の両端側にＩ字形コア２３２Ｂを配置するようにする。以下、図７の形態に積層したコアを分割コア２３２Ｄと記載する。

図８は、分割コア２３２Ｄに絶縁ボビン２７０を介してステータコイル２３３をティース２３８に巻きまわしたものである。

図９は、図８のようにしてステータコイル２３３を巻きまわした分割コア２３２Ｄを、分割コア２３２ＤのＩ字形コア２３２Ｂと同じ厚さになるように（例えば同じ枚数で）積層した環状コアバック２３２Ｃと組み合わせたときの分解斜視図である。分割コア２３２ＤのＩ字形コア２３２Ｂの径方向凸嵌合部２４３を、環状コアバック２３２Ｃの径方向凹嵌合部２４４に嵌合することで位置決めする構成となっている。すなわち、環状コアバック２３２Ｃが分割コア２３２Ｄの軸方向両端に配置される構成である。

以上のような構成により本実施形態では、ステータコア２３２の回転軸方向の端面に、分割コア２３２Ｄの周方向分割面が露出せず、ステータコア２３２の回転軸方向の端面には、環状コアバック２３２Ｃが露出していることになる。本構造により、ハウジング２１２をステータコア２３２に焼き嵌めで固定したときに、圧縮応力により分割コア２３２Ｄの分割面が回転軸方向に突き出る変形を低減することができる。
〔第２の実施形態〕
図１０に本発明の第２の実施形態の分割コア２３２Ｄを示す。本形態では、Ｉ字形コア２３２Ｂを回転軸方向の一方の端面にのみ配置し、他方の端面はＴ字形コア２３２Ａが配置される構成となっている。

この場合、図１１に示すように、環状コアバック２３２ＣはＩ字形コア２３２Ｂを配置した回転軸方向の一方の端面にのみ配置する構造となるため。Ｔ字形コア２３２Ａが配置されている他方の端面は、ハウジング２１２の内径側に円環状のリブ２１３を設け、Ｔ字形コア２３２Ａの分割面を回転軸方向に押し付ける構造とし、環状コアバック２３２と同様の効果を持たせて、焼き嵌め時のＴ字形コア２３２Ａの周方向分割面の変形を低減する。

本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、環状コアバック２３２Ｃと分割コア２３２Ｄを組み合わせる工程を半分にして、第１の実施形態と同様に焼き嵌め時のＴ字形コア２３２Ａの変形を低減することができる。

以上で説明したように、本発明によれば、焼き嵌めの際、隣接する分割コア同士の接触部における変形を低減することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０ ケース
１２ ボルト
２００ 回転電機
２０２ 回転電機
２１２ ハウジング
２１３ リブ
２１５ フランジ
２３０ ステータ
２３２ ステータコア
２３２Ａ 第１のステータコア（Ｔ字形コア）
２３２Ｂ 第２のステータコア（Ｉ字形コア）
２３２Ｃ 第３のステータコア（環状コアバック）
２３２Ｄ 分割コア
２３３ ステータコイル
２３８ ティース
２５０ ロータ
２５２ ロータコア
２７０ 絶縁ボビン

Claims (6)

1. 第１のステータコアと第２のステータコアとにより構成されたステータコアを備える回転電機のステータにおいて、
   前記第１のステータコアは周方向に分割されたコアバックであって１スロット毎に周方向に分割されたＴ字形コアからなり、
   前記第２のステータコアは周方向に一体に構成された環状コアバックと、当該環状コアバックに配置されるＩ字形コアとからなり、
   前記Ｉ字形コアと前記Ｔ字形コアのティース部分とが前記軸方向に積層され、１つのティースを構成し、
   前記ティースにコイルが巻かれてなる分割コアが、前記環状コアバックに嵌合わされていることを特徴とする回転電機のステータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のステータにおいて、
   前記第２のステータコアが、前記ステータコアの少なくとも一方の軸方向端部に配置されている回転電機のステータ。
3. 請求項２に記載の回転電機のステータにおいて、
   前記第２のステータコアが、前記ステータコアの両方の軸方向端部に配置されている回転電機のステータ。
4. 請求項２に記載の回転電機のステータにおいて、
   前記ステータコアを保持するハウジングを備え、
   前記ハウジングは内周面にリブを有し、
   前記第２のステータコアが、前記ステータコアの一方の軸方向端部に配置され、
   前記第１のステータコアが、前記ステータコアの他方の軸方向端部に配置され、
   前記リブが、前記ステータコアの前記他方の軸方向端部において、前記第１のステータコアのコアバックと接している回転電機のステータ。
5. 請求項２に記載の回転電機のステータにおいて、
   前記第２のステータコアが積層された薄板により構成され、
   前記環状コアバックを構成する薄板の枚数と、前記Ｉ字型コアを構成する薄板の枚数とが同じである回転電機のステータ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回転電機のステータと、
   前記ステータの内周側に回転可能に配置されたロータとを備える回転電機。

Images